Bomba de eflujo

Una bomba de eflujo es un transportador activo en las células que elimina material no deseado. Las bombas de eflujo son un componente importante en las bacterias por su capacidad para eliminar antibióticos. ^[1] El eflujo también podría ser el movimiento de metales pesados, contaminantes orgánicos, compuestos producidos por plantas, señales de detección de quórum, metabolitos bacterianos y neurotransmisores . Todos los microorganismos, con algunas excepciones, tienen secuencias de ADN altamente conservadas en su genoma que codifican bombas de eflujo. Las bombas de eflujo mueven activamente sustancias fuera de un microorganismo, en un proceso conocido como eflujo activo, que es una parte vital del metabolismo xenobiótico . Este mecanismo de eflujo activo es responsable de varios tipos de resistencia a patógenos bacterianos dentro de las especies bacterianas; el más preocupante es la resistencia a los antibióticos porque los microorganismos pueden haber adaptado bombas de eflujo para desviar toxinas fuera del citoplasma y hacia el medio extracelular. ^[2]

Los sistemas de eflujo funcionan a través de un mecanismo dependiente de la energía ( transporte activo ) para bombear sustancias tóxicas no deseadas a través de bombas de eflujo específicas. Algunos sistemas de eflujo son específicos para cada fármaco, mientras que otros pueden acomodar múltiples fármacos con pequeños transportadores de resistencia a múltiples fármacos (SMR). ^{[3] [4]}

Las bombas de eflujo son transportadores proteínicos localizados en la membrana citoplasmática de todo tipo de células. Son transportadores activos, lo que significa que requieren una fuente de energía química para realizar su función. Algunos son transportadores activos primarios que utilizan la hidrólisis del trifosfato de adenosina como fuente de energía, mientras que otros son transportadores activos secundarios ( uniportadores , simportadores o antiportadores ) en los que el transporte está acoplado a una diferencia de potencial electroquímico creada al bombear iones de hidrógeno o sodio a la célula.

Las bombas de eflujo bacterianas se clasifican en cinco superfamilias principales, según su secuencia de aminoácidos y la fuente de energía utilizada para exportar sus sustratos:

1. La superfamilia de facilitadores mayores (MFS) ^[5]
2. Los transportadores ABC ^[5]
3. La pequeña familia de resistencia a múltiples fármacos (SMR) ^[5]
4. La superfamilia de resistencia-nodulación-división celular (RND) ^[5]
5. La familia de proteínas de extrusión multiantimicrobiana (MATE). ^[5]

De estos, solo la superfamilia ABC son transportadores primarios, el resto son transportadores secundarios que utilizan gradientes de protones o sodio como fuente de energía. Mientras que los MFS predominan en las bacterias Gram positivas , se pensaba que la familia RND era exclusiva de las bacterias Gram negativas. Desde entonces se han encontrado en todos los reinos principales . ^[6]

Las bombas de eflujo generalmente consisten en una proteína de eflujo de membrana externa , una proteína periplásmica media, una proteína de membrana interna y un conducto transmembrana. El conducto transmembrana se encuentra en la membrana externa de la célula. El conducto también está unido a otras dos proteínas: una proteína de membrana periplásmica y un transportador de membrana integral. La proteína de membrana periplásmica y la proteína de membrana interna del sistema están acopladas para controlar la apertura y el cierre del conducto (canal). Cuando una toxina se une a esta proteína de membrana interna, las proteínas de membrana interna dan lugar a una cascada bioquímica que transmite señales a la proteína de membrana periplásmica y a la proteína de membrana externa para abrir el canal y sacar la toxina de la célula. Este mecanismo utiliza una interacción proteína-proteína dependiente de la energía que se genera por la transferencia de la toxina por un ion H+ por el transportador de membrana interna. ^[7] Las estructuras in vitro e in vivo completamente ensambladas de la bomba AcrAB-TolC se han resuelto mediante cryoEM y cryoET. ^{[8] [9]}

Aunque los antibióticos son los sustratos más importantes desde el punto de vista clínico de los sistemas de eflujo, es probable que la mayoría de las bombas de eflujo tengan otras funciones fisiológicas naturales. Algunos ejemplos son:

• El sistema de eflujo AcrAB de E. coli , que tiene la función fisiológica de bombear ácidos biliares y ácidos grasos para reducir su toxicidad. ^[10]
• La bomba Ptr de la familia MFS en Streptomyces pristinaespiralis parece ser una bomba de autoinmunidad para este organismo cuando activa la producción de pristinamicinas I y II . ^[11]
• Se sospecha que el sistema AcrAB–TolC en E. coli tiene un papel en el transporte de los componentes del canal de calcio en la membrana de E. coli . ^[12]
• El sistema MtrCDE desempeña un papel protector al proporcionar resistencia a los lípidos fecales en aislamientos rectales de Neisseria gonorrhoeae . ^[13]
• El sistema de eflujo AcrAB de Erwinia amylovora es importante para la virulencia de este organismo , la colonización de la planta (huésped) y la resistencia a las toxinas de la planta. ^[14]
• El componente MexXY del sistema de eflujo de múltiples fármacos MexXY-OprM de P. aeruginosa es inducible por antibióticos que se dirigen a los ribosomas a través del producto del gen PA5471. ^[15]
• También se ha demostrado que las bombas de eflujo desempeñan un papel en la formación de biopelículas . Sin embargo, aún queda por determinar los sustratos para dichas bombas y si los cambios en su actividad de eflujo afectan la formación de biopelículas de manera directa o indirecta. ^[16]

La capacidad de los sistemas de eflujo para reconocer una gran cantidad de compuestos distintos de sus sustratos naturales se debe probablemente a que el reconocimiento del sustrato se basa en propiedades fisicoquímicas , como la hidrofobicidad , la aromaticidad y el carácter ionizable , en lugar de en propiedades químicas definidas, como en el reconocimiento clásico enzima - sustrato o ligando - receptor . Debido a que la mayoría de los antibióticos son moléculas anfifílicas (que poseen caracteres tanto hidrófilos como hidrófobos), muchas bombas de eflujo los reconocen fácilmente. ^{[ cita requerida ]}

El impacto de los mecanismos de eflujo sobre la resistencia a los antimicrobianos es grande y generalmente se atribuye a lo siguiente:

• Los elementos genéticos que codifican las bombas de eflujo pueden estar codificados en cromosomas y/o plásmidos , contribuyendo así a la resistencia intrínseca (natural) y adquirida respectivamente. Como mecanismo intrínseco de resistencia, los genes de las bombas de eflujo pueden sobrevivir en un entorno hostil (por ejemplo, en presencia de antibióticos), lo que permite la selección de mutantes que sobreexpresan estos genes. Estar ubicados en elementos genéticos transportables como plásmidos o transposones también es ventajoso para los microorganismos, ya que permite la fácil propagación de los genes de eflujo entre especies distantes. ^[17]
• Los antibióticos pueden actuar como inductores y reguladores de la expresión de algunas bombas de eflujo. ^[15]
• La expresión de varias bombas de eflujo en una especie bacteriana determinada puede conducir a un amplio espectro de resistencia cuando se consideran los sustratos compartidos de algunas bombas de eflujo de múltiples fármacos, donde una bomba de eflujo puede conferir resistencia a una amplia gama de antimicrobianos. ^[2]

En las células eucariotas, la existencia de bombas de eflujo se conoce desde el descubrimiento de la glicoproteína P en 1976 por Juliano y Ling . ^[18] Las bombas de eflujo son una de las principales causas de resistencia a los fármacos anticancerígenos en las células eucariotas. Entre ellas se incluyen los transportadores de monocarboxilato (MCT), las proteínas de resistencia a múltiples fármacos (MDR), también denominadas glicoproteína P, las proteínas asociadas a la resistencia a múltiples fármacos (MRP), los transportadores de péptidos (PEPT) y los transportadores de fosfato de Na+ (NPT). Estos transportadores se distribuyen a lo largo de porciones particulares del túbulo proximal renal, el intestino, el hígado, la barrera hematoencefálica y otras porciones del cerebro.

Actualmente se están realizando varios ensayos para desarrollar fármacos que se puedan administrar junto con antibióticos para que actúen como inhibidores de la extrusión de antibióticos mediada por eflujo. Hasta el momento, no se ha aprobado ningún inhibidor de eflujo para uso terapéutico, pero se están utilizando algunos para determinar la prevalencia de bombas de eflujo en aislados clínicos y en la investigación de biología celular . El verapamilo , por ejemplo, se utiliza para bloquear el eflujo mediado por la P-glicoproteína de fluoróforos que se unen al ADN, lo que facilita la clasificación de células fluorescentes para el contenido de ADN. Se ha demostrado que varios productos naturales inhiben las bombas de eflujo bacterianas, incluidos los carotenoides capsantina y capsorrubina , ^[19] los flavonoides rotenona y crisina , ^[19] y el alcaloide lisergol . ^[20] Algunas nanopartículas , por ejemplo el óxido de zinc , también inhiben las bombas de eflujo bacterianas. ^[21]

• Resistencia a los antibióticos